新型高雙折射微結(jié)構(gòu)纖芯光子晶體光纖的可調(diào)諧超連續(xù)譜的特性研究?

熊夢杰 李進(jìn)延羅興 沈翔 彭景剛 李海清

(華中科技大學(xué),武漢光電國家實驗室,武漢 430074)

新型高雙折射微結(jié)構(gòu)纖芯光子晶體光纖的可調(diào)諧超連續(xù)譜的特性研究?

熊夢杰 李進(jìn)延?羅興 沈翔 彭景剛 李海清

(華中科技大學(xué),武漢光電國家實驗室,武漢 430074)

(2016年12月26日收到;2017年1月18日收到修改稿)

提出并制備了一種新型微結(jié)構(gòu)纖芯光子晶體光纖,即在橢圓纖芯中增加一排亞微米級的空氣孔,提高了光纖的雙折射值,改變了兩個偏振基模的色散特性.通過有限元法數(shù)值模擬了該光纖的雙折射、非線性和色散等特性,并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù).使用脈寬為15 ps,重復(fù)頻率為45 MHz的激光抽運該光纖,通過調(diào)節(jié)抽運激光入射的偏振方向,實現(xiàn)了可調(diào)諧的寬帶超連續(xù)譜.實驗研究了輸入激光的功率和偏振方向?qū)ΤB續(xù)譜的影響,以及輸出超連續(xù)譜的偏振特性:當(dāng)脈沖偏振方向沿著主軸入射時,得到了800—1500 nm的線偏振超連續(xù)譜,輸出譜的消光比為21.2 dB;當(dāng)脈沖偏振方向逐漸遠(yuǎn)離主軸時,輸出超連續(xù)譜的譜寬逐漸變窄,并且在與主軸呈處達(dá)到最小值.維持抽運脈沖功率不變,僅改變脈沖入射的偏振方向,能夠?qū)崿F(xiàn)300 nm譜寬可調(diào)諧的超連續(xù)譜.

光子晶體光纖,高雙折射,可調(diào)諧,超連續(xù)譜

1 引 言

超連續(xù)譜(supercontinuum,SC)是高功率激光經(jīng)過非線性介質(zhì)后產(chǎn)生光譜極大展寬的現(xiàn)象,具有良好的空間相關(guān)性和高的輸出功率［1].而光子晶體光纖具有較高的非線性和靈活可控的色散特性,因此成為產(chǎn)生SC的理想介質(zhì)［2?5],激發(fā)的SC被廣泛應(yīng)用于光學(xué)相干層析成像和頻譜壓縮檢測等領(lǐng)域［6?10].高雙折射光纖能夠維持傳輸模式的偏振態(tài)不受環(huán)境的影響,并且在快軸和慢軸兩個方向上具有不同的色散特性,因此利用高雙折射光子晶體光纖可以實現(xiàn)對SC偏振特性的調(diào)節(jié)［11?16].2003年P(guān)roulx等［17]理論和實驗研究了高雙折射光子晶體光纖中SC的產(chǎn)生,表明光譜展寬主要由紅移的高階孤子分裂和藍(lán)移的非孤子輻射引起.2007年,Xiong和Wadsworth［18]利用1064 nm激光抽運雙大孔保偏光子晶體光纖,獲得了450—1750 nm的SC,并使用硼酸鉍晶體得到了400—525 nm中心波長可調(diào)諧的脈沖光譜.2013年,趙原源等［19]使用V型光子晶體光纖作為增益介質(zhì),實驗研究了光纖的雙折射效應(yīng)對SC的影響.

本文設(shè)計并拉制了一種新型高雙折射光子晶體光纖,即在纖芯中加入了一排亞微米級的空氣孔,極大地增加了光纖的保偏性能,改變了色散特性.然后用中心波長為1040 nm、重復(fù)頻率為45 MHz的皮秒脈沖激光器抽運該光纖激發(fā)出SC,研究了抽運激光功率和輸入偏振方向?qū)C的影響.實驗中調(diào)整脈沖偏振方向與光纖的主軸重合,可以激發(fā)出線偏振的SC.同時,由于高雙折射光纖的兩個主軸具有不同的色散特性,因此通過改變脈沖的入射角度,可以實現(xiàn)對SC譜寬的調(diào)節(jié),為SC光源提供了更廣闊的優(yōu)化和應(yīng)用前景.

2 高雙折射光子晶體光纖結(jié)構(gòu)及其特性

采用二次拉絲的方法,自行拉制光纖的端面如圖1所示.該光纖包含兩種不同尺寸的空氣孔,其中包層由8層大空氣孔構(gòu)成,空氣孔直徑d1=6.6μm,孔間距Λ1=7.3μm;纖芯加入了一排亞微米級的空氣孔,微孔直徑d2=0.2μm,孔間距Λ2=0.9μm.

圖1 光纖端面電鏡圖Fig.1.Scanning electron microscopy cross-section image of the fi ber.

圖2 模式有效折射率和雙折射值隨波長的變化Fig.2.Variations of birefringence and neffas a function of the wavelength.

圖3 光纖兩個偏振基模色散系數(shù)D隨波長的變化Fig.3.Variation of the dispersion of the basic mode as a function of the wavelength.

如果去掉光纖纖芯中的亞微米量級的空氣孔,模擬計算得到該光子晶體光纖在1550 nm處的雙折射僅有2×10?4,并且兩個非簡并基模的色散曲線非常接近,零色散波長約為1017 nm.在纖芯中加入了一排亞微米級小孔,雙折射值提高了一個數(shù)量級,零色散點向長波方向移動,并且兩個偏振基模色散曲線產(chǎn)生較大差異.在波長為1μm的情況下模擬的非簡并基模的光場分布如圖4所示,測量的實際光斑如圖5所示.實驗中拍攝的遠(yuǎn)場光斑為可見光,波長較短并接近微孔尺寸,此時微孔起到一定的隔離作用,纖芯相當(dāng)于兩個平行波導(dǎo)傳輸,因此可能產(chǎn)生了同相位超模.

圖4 模擬基模光場分布圖 (a)x偏振基模;(b)y偏振基模Fig.4.Electric fi eld distribution of the fundamental mode for(a)x and(b)y polarizations at a wavelength of 1μm.

圖5 實驗光斑圖Fig.5.Photographs of SC in the experiments.

3 實驗與結(jié)果分析

實驗裝置如圖6所示.實驗中采用的是非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器,輸出脈沖為線偏振光,中心波長為1040 nm,脈寬為15 ps,脈沖重復(fù)頻率為45 MHz,光束口徑約為2 mm,輸出功率調(diào)諧范圍為0—8 W.光纖耦合器件使用Thorlabs公司的自由空間光纖發(fā)射系統(tǒng),該器件配有高精度差分調(diào)節(jié)器,從不同方向上提供幾十納米精度的位移,能夠?qū)崿F(xiàn)抽運激光到光纖的高效率耦合.通過調(diào)節(jié)半波片的旋轉(zhuǎn)角度,可以改變抽運激光進(jìn)入光纖的偏振方向.在光纖輸出端使用格蘭激光棱鏡檢測輸出SC的偏振特性.該格蘭棱鏡的工作波長范圍為700—3000 nm,消光比大于106.實驗中使用的光譜儀為橫河公司(日本)Optical Spectrum Analyzer光譜儀,型號是AQ6370D.由于產(chǎn)生SC的功率較高,因此在光譜儀前加入一個功率衰減器,用于保護(hù)光譜儀.

圖6 裝置示意圖,其中,HWP,半波片;AL,非球面透鏡;PCF,光子晶體光纖;GL,格蘭棱鏡;OA,光衰減器Fig.6.Experiment setup.HWP,half-wave plates;AL,aspheric lens;PCF,photonic crystal fi ber;GL,Glan prism;OA,optical attenuator.

3.1保持輸入偏振方向不變,改變抽運脈沖激光功率

調(diào)節(jié)半波片的旋轉(zhuǎn)角度,使脈沖激光的偏振方向與高雙折射光子晶體光纖的快軸(x軸)重合,并維持其偏振方向不變,獲得的超連續(xù)光譜隨抽運脈沖功率的變化如圖7所示.實驗中輸入脈沖功率依次為0.87,1.37,1.86,2.26,2.61 W,所激發(fā)的SC隨著功率的增加不斷向兩端擴(kuò)展:當(dāng)輸入功率為0.87 W時,光譜范圍為900—1380 nm,譜寬為480 nm;當(dāng)輸入功率為2.61 W時,光譜范圍為700—1560 nm,譜寬為860 nm,整個SC的譜寬增加了380 nm.

實驗中抽運激光位于光纖的正常色散區(qū),因此主要由自相位調(diào)制和拉曼散射效應(yīng)初步展寬光譜.在光譜向兩端展寬的過程中長波長光譜成分逐步紅移延伸進(jìn)入到反常色散區(qū),此時反常色散和自相位調(diào)制共同作用形成了高階孤子.在高階孤子形成、分裂和紅移過程中抽運激光的能量大部分被轉(zhuǎn)換到SC長波長區(qū)域,導(dǎo)致光譜向長波長區(qū)域迅速展寬.同時,在高階色散的作用下各階孤子分裂成一系列基階孤子并向短波長區(qū)發(fā)射色散波,并且由于群速度匹配引起的孤子俘獲效應(yīng)導(dǎo)致色散波發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象,因此SC向短波長區(qū)域也發(fā)生一定的展寬.

圖7 輸出SC隨抽運功率的變化Fig.7.The spectra of radiation at the output of the microstructure fi ber for di ff erent input powers.

3.2保持抽運功率和輸入偏振方向不變,檢測輸出光譜的偏振特性

保持抽運功率為0.65 W不變,旋轉(zhuǎn)半波片使輸入激光的偏振方向與光纖x軸呈0?(沿快軸)入射,同時調(diào)節(jié)格蘭棱鏡的偏振方向也與光纖的快軸重合,然后依次旋轉(zhuǎn)格蘭棱鏡30?,45?,60?,90?(沿慢軸),分別測量產(chǎn)生的SC如圖8(a)所示.當(dāng)脈沖沿快軸入射時,產(chǎn)生了沿快軸方向偏振的SC.由于光纖在拉絲過程中發(fā)生一定程度的扭轉(zhuǎn),同時內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷造成光纖保偏性能的下降,導(dǎo)致沿光纖快軸傳輸?shù)牟糠志€偏光會耦合到另一個正交的偏振態(tài)上,因此在慢軸方向上有功率較低的激光輸出.

保持脈沖功率不變,旋轉(zhuǎn)半波片使抽運激光的偏振方向與光纖快軸呈45?,調(diào)節(jié)格蘭棱鏡的偏振方向與光纖的快軸重合,然后依次旋轉(zhuǎn)30?,45?,60?,90?(沿慢軸),輸出的SC在各個偏振方向上幾乎具有相同的譜寬,如圖8(b)所示.這是因為當(dāng)脈沖與快軸呈45?入射時,抽運功率被等分地分解到快軸和慢軸兩個方向上.由于兩個非簡并基模的有效折射率和色散不同,因此兩個偏振方向上產(chǎn)生的SC有稍微差別.

進(jìn)一步研究輸出SC的偏振特性,使用功率計測量計算其消光比.旋轉(zhuǎn)半波片使抽運脈沖的偏振方向與光纖x軸分別呈0?,45?,90?入射,然后旋轉(zhuǎn)格蘭棱鏡測量SC在不同偏振方向上的功率,結(jié)果如圖9所示.當(dāng)抽運脈沖的偏振方向與光纖主軸重合時,由于光纖具有保偏特性,輸出的是線偏振SC,消光比為21.2 dB;當(dāng)輸入脈沖的偏振方向與光纖主軸呈45?時,其輸出的SC是非偏振光,各個方向上的輸出功率幾乎相同.因此使用該高雙折射光子晶體光纖作為激發(fā)超連續(xù)的介質(zhì),改變輸入脈沖的偏振方向就可以調(diào)節(jié)輸出光譜的偏振態(tài),提高了輸出光譜的使用靈活性.

圖8 抽運脈沖與光纖快軸呈(a)0?和(b)45?入射時產(chǎn)生的SCFig.8.E ff ect of input polarization on SC generation:(a)θ=0?(slow axis);(b)θ=45?.

圖9 輸出功率隨格蘭棱鏡旋轉(zhuǎn)角度的變化Fig.9.The variation of output power with the rotation angle of the Glan prism.

3.3保持抽運功率不變,改變脈沖激光的輸入偏振方向

當(dāng)激光脈沖以不同的偏振角度入射時,由于高雙折射光子晶體光纖的兩個正交偏振基模具有不同的色散特性,導(dǎo)致非線性過程中產(chǎn)生新的頻譜有所差異.實驗中輸入功率保持2.26 W不變,調(diào)節(jié)半波片的旋轉(zhuǎn)角度,使抽運脈沖的偏振方向與光纖快軸的夾角θ分別為0?,30?,45?,60?,90?.去掉裝置圖中的格蘭棱鏡,直接測量輸出的SC如圖10所示.隨著抽運脈沖偏振方向與光纖快軸的夾角由0?逐步增加到90?,產(chǎn)生的超連續(xù)光譜的譜寬由寬變窄,再由窄變寬.實驗現(xiàn)象與文獻(xiàn)[20]一致.實驗中,旋轉(zhuǎn)半波片的角度,光纖呈現(xiàn)出不同的顏色,如圖11所示.當(dāng)脈沖沿光纖主軸入射時,輸入的抽運脈沖偏振方向與快軸或者慢軸重合,獲得了800—1500 nm最大展寬的SC;當(dāng)入射脈沖偏振方向與主軸呈45?角時,光譜展寬減小到900—1300 nm.維持脈沖功率不變,僅僅改變脈沖入射的偏振方向,就能夠?qū)崿F(xiàn)SC譜寬的調(diào)諧,調(diào)諧范圍可以達(dá)到300 nm.

圖10 光脈沖以不同角度入射時產(chǎn)生的SCFig.10.SC obtained with input pulses polarized at di ff erent angles with respect to the x axis.

當(dāng)抽運脈沖沿主軸入射時,由于該光纖具有較高的保偏性能,光脈沖將沿著光纖的主軸傳輸而不會耦合到另一個正交的偏振基模上,因此輸出的是線偏振SC,偏振方向與主軸重合.同時由于兩個偏振基模的色散曲線不同,影響了非線性過程中頻率轉(zhuǎn)換過程,因此脈沖分別沿快軸和慢軸傳輸時得到的光譜展寬也不相同.當(dāng)入射脈沖的偏振方向與光纖的快軸成夾角θ時,脈沖進(jìn)入光纖后被分解為沿主軸的兩個分量,其光功率分別為Px=P0cos2θ,Py=P0sin2θ.此時相當(dāng)于兩個正交的偏振脈沖在光纖中傳輸,并且在交叉相位調(diào)制和非線性耦合效應(yīng)作用下共同產(chǎn)生SC.當(dāng)θ=45?時,分解到兩個主軸方向上的脈沖功率最低,激發(fā)的非線性效應(yīng)最弱.同時由于兩個偏振基模的群速度和色散不同,導(dǎo)致兩個正交的偏振脈沖在光纖傳輸?shù)倪^程中發(fā)生時域和空間上的分離,減弱了模式之間的交叉相位調(diào)制作用和非線性耦合效應(yīng),降低了光譜的展寬,因此產(chǎn)生的SC的譜寬最窄.

圖11 皮秒脈沖抽運光纖的側(cè)面照片F(xiàn)ig.11.Photo of the fi ber pumped by a picosecond pulse.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種纖芯中增加亞微米級橢圓空氣孔的光子晶體光纖,模擬了該光纖的雙折射、非線性、色散曲線等特性,根據(jù)模擬結(jié)果拉制出一種新型的具有高雙折射、高非線性的光子晶體光纖,為拉制高性能的保偏光纖提供了新的思路.使用該光纖作為非線性介質(zhì),利用皮秒激光器進(jìn)行抽運得到了平坦的線偏振SC,實驗研究了SC的光譜和偏振特性.當(dāng)脈沖沿光纖主軸入射時,輸入的抽運脈沖偏振方向與快軸或者慢軸重合,獲得了800—1500 nm SC,并且消光比達(dá)到21.2 dB;當(dāng)入射脈沖偏振方向與主軸呈45?時,抽運脈沖功率被分解到快軸和慢軸兩個方向上.纖芯中的一排空氣孔改變了光纖在兩個方向上的色散特性,減弱了模式之間的交叉相位調(diào)制作用和非線性耦合效應(yīng),光譜展寬減小到900—1300 nm.維持脈沖功率不變,僅僅改變脈沖入射的偏振方向,就能夠?qū)崿F(xiàn)SC譜寬的調(diào)諧,調(diào)諧范圍可以達(dá)到300 nm.同時,通過掃描電子顯微鏡光纖截面圖可以看出,光纖結(jié)構(gòu)略有形變.經(jīng)過進(jìn)一步的提高拉絲工藝,降低光纖損耗,優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu),能夠得到更寬、更平坦的SC.本文的研究對于偏振可調(diào)諧的超連續(xù)光源的應(yīng)用和優(yōu)化具有一定的意義.

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PACS:42.81.–i,42.81.Bm,42.81.Cn,42.81.GsDOI:10.7498/aps.66.094204

Experimental and numerical study of tuneable supercontinuum generation in new kind of highly birefringent photonic crystal fi ber?

Xiong Meng-Jie Li Jin-Yan?Luo Xing Shen Xiang Peng Jing-Gang Li Hai-Qing

(Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

26 December 2016;revised manuscript

18 January 2017)

We report on a new kind of highly birefringent and highly nonlinear photonic crystal fi ber with a row of sub-micron air hole in the fi ber core.The diameters of air holes in fi ber core and cladding are 0.2μm and 6.6μm respectively.The parameters of birefringence,nonlinear and dispersion coefficient of the fi ber are simulated by fi nite element method.It is found that the birefringence of the fi ber can exist at the wavelengths up to 1550 nm,which is one order of magnitude higher than that of the traditional polarization-maintaining fi ber.The zero-dispersion wavelengths of the fast axis and slow axis are 1050 nm and 1080 nm respectively.This fi ber has a clear advantage over conventional fi ber in continuum generation.Firstly,the polarization state of the pulse traveling in the fi ber can be sustained along the fi ber length and the extinction ratio is more than 20 dB.In addition,the pulses travel at di ff erent group velocities along the two polarization directions,which provide a convenient way of tuning the properties of the generated supercontinuum.Using this fi ber as a nonlinear medium,an efficient generation of a tunable supercontinuum is demonstrated by pumping with 15 ps pulses of 1040 nm laser radiation,which is located in the normal dispersion region.A half-wave plate is used to vary the input polarization of the light pulse launched into the fi ber,and the polarization of output supercontinuum is adjusted by a Glan prism at the same time.It is experimentally found that the polarization of pulse has a signi fi cant in fl uence on the generation of the supercontinuum.When the linear polarization of the input pulse matches with the direction of the main axis of the fi ber,the supercontinuum can be broadened over wavelength range of 800–1500 nm,and the extinction ratio is 21.2 dB.The polarization direction of the output SC is found to coincide with the pump pulse.When the angle between the polarization of the input pulse and the fast axis is increased to 45 degrees,the output supercontinuum is circularly polarized and becomes narrowest,extending from 900 to 1300 nm.So we can realize the wide tuning of a supercontinuum by only changing the polarization direction of the incident pulse.Under the circumstances,the pulse in optical fi ber can be broken into two components along the main axis respectively.If the input polarization direction is away from both principal axis directions,the power along the main axis and the contribution of cross phase modulation are reduced because of the walk-o ffe ff ect,so the width of the supercontinuum will become narrower.It is suggested that this type of high birefringence photonic crystal fi ber could be e ff ectively applied to the generation of the tunable supercontinuum.

photonic crystal fi ber,high birefringence,tunable,supercontinuum

10.7498/aps.66.094204

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:61535009)資助的課題.

?通信作者.E-mail:ljy@mail.hust.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61535009).

?Corresponding author.E-mail:ljy@mail.hust.edu.cn